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Fallbeispiel Windkraftanlagen:
Mit Schaeffler-Lösungen zu reduzierten Systemkosten
Schaeffler bietet mit seinen Windkraftlagern zuverlässige Komponenten, die höchsten Beanspruchungen standhalten und durch ihre individuelle Auslegung zur Senkung der Systemkosten von Windkraftanlagen beitragen. Der Systemkostenansatz, d.h. die Analyse des Gesamtsystems und die wechselseitige Beeinflussung der in diesem System verbauten Baugruppen, spielt bei der Preis- und Kostenoptimierung eine wichtige Rolle.
Die für die Lagerung gewählte Bauform und Lagergeometrie, die verwendeten Materialien und anwendungstechnische Lagerauslegung bis hin zur Validierung der Anwendung sind ebenfalls wichtige Faktoren, die Schaeffler berücksichtigt, um Zuverlässigkeit und Effizienz zu steigern, bei gleichzeitig sinkenden Systemkosten.
INA-Drehverbindungen mit optimierter Innengeometrie
Windkraftanlagen müssen ihre Ausrichtung den Windverhältnissen anpassen. Turm und Rotorblätter werden dabei so eingestellt, dass sie die Windverhältnisse optimal ausnutzen und gleichzeitig keinen zu extremen Belastungen ausgesetzt sind, die zu Schäden führen könnten. Die hohen Lasten aus der dynamischen Beanspruchung der Rotorblätter müssen sicher über die Laufbahnen und die Schraubenverbindungen in die Rotornabe abgeleitet werden.
Für die Windnachführung entwickelt und produziert Schaeffler derzeit Drehverbindungen bis zu einem Außendurchmesser von 4.100 Millimeter, die als „Pitch-Lager“ zum Einsatz kommen. Durch ihren konstruktiven Aufbau übertragen sie radiale und axiale Kräfte sowie Kippmomente. Sie werden als ein- oder zweireihige Vierpunktlager ausgeführt, sowohl unverzahnt als auch innen- und/oder außenverzahnt. Ihre zuverlässige Funktion ist eine wesentliche Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen.
 Gemeinsam mit der Stahlindustrie hat Schaeffler speziell für Drehverbindungen, die bei der Turm- und Blattverstellung
extremen Belastungen ausgesetzt sind, einen Vergütungsstahl entwickelt, der auch bei großen
Ringquerschnitten die volle Vergütung des Stahls und damit höchste Festigkeiten ermöglicht.
Als wesentlicher Bestandteil des Anlagensicherheitskonzepts müssen sie gewährleisten, dass die Rotorblätter unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig und gleichmäßig verstellt werden können. Durch die optimierte Dimensionierung der Lager und ein auf die Anlage und die Einsatzbedingungen abgestimmtes Wartungskonzept wird eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht.
Ein eigens von Schaeffler entwickeltes Verfahren sorgt für eine besondere Bearbeitung der Dichtungslaufflächen, so dass trotz hoher Dichtwirkung zum Schutz des Lagers ein geringes Reibmoment garantiert wird. INA-Drehverbindungen zeichnen sich so, auch dank einer optimierten Innengeometrie, durch niedrigere Reibmomente als herkömmliche Pitch-Lager aus. Dies ermöglicht den Einsatz von kompakteren Getrieben, drehmomentschwächeren Motoren und leistungsärmeren Umrichtern. Das trägt wiederum zu geringeren Systemkosten bei.
Gemeinsam mit der Stahlindustrie hat Schaeffler speziell für Drehverbindungen, die bei der Turm- und Blattverstellung extremen Belastungen ausgesetzt sind, einen Vergütungsstahl entwickelt, der auch bei großen Ringquerschnitten die volle Vergütung des Stahls und damit höchste Festigkeiten ermöglicht. Darüber sorgen zinkflammgespritzte Oberflächen, Mehrschicht-Lackierung und veredelte Dichtungsanlaufflächen für höchste Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit gegen vorzeitige Schäden, wie z.B. Ermüdung in der Laufbahn und Korrosion an den Oberflächen. Durch den Werkstoff und die Oberflächenschutzmaßnahmen sind die Lager bis zu einer Umgebungstemperatur von minus 40 Grad Celsius für den Einsatz geeignet.
Höhere Tragzahl bei weniger Reibung
Hochdynamische Kräfte mit extremen Spitzen und Minimalbelastungen, plötzliche Lastwechsel und stark unterschiedliche Einsatztemperaturen sind die Herausforderungen für die Lagertechnik in Getrieben für Windkraftanlagen. Die Planetenradlagerung ist dabei eine äußerst anspruchsvolle Lagerstelle. Hier treten hohe radiale Lasten auf. Für die Lagerung steht jedoch nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung, zudem verformen sich die vergleichsweise dünnwandigen Planetenräder, was zum Drehen des Lageraußenrings im Planetenrad führen kann. Das High-Capacity-Zylinderrollenlager der Marke FAG verbindet durch seine besonders schlanke Käfigkonstruktion die Vorteile von vollrolligen Lagern mit denen von Käfiglagern. So findet mindestens ein zusätzlicher Wälzkörper im Lager Platz. Damit erhöht sich die Tragzahl. Aufgrund des Lagerkäfigs ist das High-Capacity-Lager wesentlich reibungsärmer als vollrollige Varianten und die Lagermontage wird erleichtert: Der Käfig ist „selbsthaltend“ ausgeführt, so dass die Wälzkörper auch mit abgezogenem Ring im Käfig gehalten werden.
Das FAG High-Capacity-Zylinderrollenlager verbindet durch seine besonders schlanke
Käfigkonstruktion die Vorteile von vollrolligen Lagern mit denen von Käfiglagern.
Moderne Simulations- und Berechnungsprogramme
Mit hochmodernen Berechnungs- und Simulationsprogrammen sichert Schaeffler eine optimale Auslegung von Windkraftgetrieben. Das gilt für das gesamte System – vom einzelnen Wälzlager und seinen Komponenten über die Anschlusskonstruktion bis hin zum kompletten Antriebsstrang.
Mit Bearinx können sämtliche Lagertypen, komplexe Wellen und Wellensysteme
bis hin zu kompletten Getrieben modelliert und berechnet werden.
Mit der Software Bearinx können alle Lagertypen, komplexe Wellen sowie Wellensysteme bis hin zu kompletten Getrieben modelliert und berechnet werden. Auch die innere Lastverteilung im Lager wird exakt berechnet – bis hin zur Kontaktpressung unter Berücksichtigung des Wälzkörperprofils. Analog der Beanspruchung der einzelnen Wälzkontakte ermittelt Bearinx die rechnerische Lagerlebensdauer genauer als bisher möglich. Mit der hybriden Mehrkörpersimulation wird das dynamische Verhalten der kompletten Windkraftanlage abgebildet. Anhand des Modells können die Einzelkomponenten des Antriebstrangs sowie das gesamte Anlagendesign bereits in der Entwicklungsphase verbessert werden. Für noch detailliertere Analysen können FEM-Berechnungen den Einfluss der Umgebungskonstruktion auf die Wälzlager und umgekehrt ermitteln. Ein Beispiel: In Windkraftgetrieben hat die elastische Verformung des Getriebegehäuses einen deutlichen Einfluss auf die Lagerlebensdauer. Durch eine Kopplung von Bearinx- und FEM-Berechnung des Gehäuses kann Schaeffler die Gehäusesteifigkeit in der Analyse berücksichtigen und so das für den Einsatzfall optimale Produkt auslegen.
www.schaeffler-group.com
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